CN1081105C - 使用模糊推理控制电阻焊接的方法 - Google Patents

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Abstract

一种控制电阻焊接的方法适合于由焊接操作的监控信号通过推断优选出下一次焊接操作的焊接电流设定值。在一实施例中，测量焊接操作期间的焊接电流I和焊接电极两端的电阻变化ΔR、增加焊接操作数N并将其变换成各自的前项成员函数的相容等级。依此计算构成每个控制标准的最后结果成员函数的相容等级。据此通过重心解模糊方法算得一操作值。最后，校正焊接电流的设定值，并用于下一次的焊接操作。

Description

使用模糊推理控制 电阻焊接的方法
本发明涉及一种控制电阻焊接的方法。
在电阻焊接中，含有一个反馈环的恒流控制大多被用来保持一恒定的焊接电流通过工件。甚至现在流行的逆变电阻焊机就是这种情况。主要原因是：(a)焊接电流是电阻焊接的重要条件之一。(b)通过用一环形线圈或电流互感器测量焊接电流容易实现反馈环。
对电阻焊接来说，优化焊接电流的设定是很重要的。反复的电阻焊接操作引起了焊接电极端头的磨损，扩大了和工件的接触面积。因此，当焊接操作数增加时，由于采用固定的焊接电流设定值，一减少的焊接电流密度被施加到工件上。这样最终导致不满意的焊接(如焊接区的分离)。关于这一点，现有技术使用了一种升高控制，即每一焊接操作的一个预定数(例如1000)升高焊接电流的设定值。
然而，该升高控制是一种每一焊接操作的一个预定数逐渐地增加焊接电流的设定值的粗控方法。它典型地选择一个大的焊接电流设定值或升高率以避免分离。然而，一个过大的焊接电流在工件上会产生过度的焦耳热，这样该工件就易发生飞溅。必须将这些飞溅减至最小，这是因为一个相当大的飞溅量不仅降低焊接质量，而且也损坏焊接电极，并恶化了操作环境。现有技术是取决于本领域的操作者对升高率设定的经验或者直觉，以致要保持理想的焊接质量，没有高技术的、能进行适当设定的操作者是困难的。
因此，本发明的一个目的是提供一种控制电阻焊接的方法，该方法通过监控每一个焊接操作并应用该监控的结果推导出下次焊接操作的焊接电流设定值，这样能经常提供良好焊接质量而不依靠本领域操作者技巧。
按照本发明的第一种使用模糊推理控制电阻焊接的方法包括下述步骤：(a)相对于焊接操作情况下焊接电极两端的电阻变化的相应等级，设置多个前项成员函数(b)相对于焊接电流设定值的变化率的相应等级，设置多个与该前项成员函数对应的最后结果成员函数(c)检测焊接操作期间焊接电极两端的电阻变化，和(d)在检测电阻变化的基础上按照前项成员函数和最后结果成员函数来校正下一次焊接操作的焊接电流设定值。
按照本发明的第二种使用模糊推理控制电阻焊接的方法包括下述步骤：(a)相对于焊接操作情况下的焊接电极两端的电阻变化的相应等级，设置多个第一前项成员函数，(b)相对于焊接操作情况下的焊接电流变化率的相应等级，设置多个第二前项成员函数(c)相对于焊接电流设定值的变化率的相应等级，设置多个与第一和第二前项成员函数对应的最后结果成员函数(d)检测焊接操作期间焊接电极两端的电阻变化(e)测量焊接操作期间的焊接电流，以及(f)在检测电阻变化和测量焊接电流的基础上按照第一和第二前项成员函数和最后结果成员函数来校正下次焊接操作的焊接电流设定值。
按照本发明的第三种使用模糊推理控制电阻焊接的方法包括下述步骤：(a)相对于焊接电极两端的电阻变化的相应等级，设置多个第一前项成员函数(b)相对于涉及焊接电极的多个焊接操作的相应等级，设置多个第二前项成员函数(c)相对于焊接电流设定值的变化率的相应等级，设置多个与第一和第二前项成员函数对应的最后结果成员函数，(d)检测焊接操作期间焊接电极两端电阻的变化(e)计算涉及焊接电极的焊接操作数，以及(f)在检测电阻变化和计算焊接操作数的基础上按照第一和第二前项成员函数和最后结果成员函数来校正下一次焊接操作的焊接电流设定值。
本发明的使用模糊推理控制电阻焊接的第四种方法包括下述步骤：(a)相对于焊接操作情况下的焊接电极两端电阻变化的相应等级，设置多个第一前项成员函数(b)相对于焊接操作情况下焊接电流的相应等级，设置多个第二前项成员函数，(c)相对于涉及焊接电极的多个焊接操作的相应等级，设置多个第三前顶成员函数(d)相对于设定的焊接电流变化率的相应等级，设置多个与第一、第二和第三前项成员函数对应的最后结果成员函数(e)检测焊接操作期间的焊接电极两端的电阻变化，(f)测量焊接操作期间的焊接电流，(g)计算涉及焊接电极的焊接操作数，以及(h)在检测电阻的变化、测量焊接电流和计算焊接操作数的基础上按照第一、第二和第三前项成员函数和最后结果成员函数校正下一次焊接操作的设定焊接电流。
本发明的控制电阻焊接的这种方法根据每次的焊接操作进行模糊推理，并优选下一次焊接操作的焊接电流设定值。对应模糊推理的标准前项的输入变量或监控信号在第一种方法中包括焊接电极两端的电阻变化。在第二种方法中它包括焊接电极两端电阻的变化和测量的焊接电流。第三种方法监控焊接电极两端的电阻变化和多个焊接操作。第四种方法监控焊接电极两端的电阻变化、测量的焊接电流和多个焊接操作。由模糊推理的标准最后结果得出的输出或控制变量包括焊接电流设定值。本发明方法通过模糊推理(例如最大-最小方法)来确定焊接电流设定值的变化率。
用于控制阻焊的本方法根据第一次焊接操作的监控数值进行模糊推理，因而自动地校正下一次焊接操作的焊接电流的设定值。这就使本发明方法不需要有技术的操作者仍可确保获得极好和满意的焊接质量并且有最小飞溅。
本发明的上述和其它目的及优点将从下述的结合附图的叙述中变得更加明显，其中：
图1是应用本发明的一种控制方法的控制和一电阻焊接机的电路框图；
图2是表明了图1中各个部分信号的波形图；
图3是一表明在按照本发明的模糊推理中使用的、根据焊接电流的相应等级来设置前项成员函数的实例图；
图4是一表明在按照本发明的模糊推理中使用的、根据焊接电极两端电阻变化的相应等级来设置前项成员函数的实例图；
图5是一表明在按照本发明的模糊推理中使用的、根据焊接操作数的相应等级来设置前项成员函数的实例图；
图6是一表明在按照本发明的模糊推理中使用的、根据焊接电流设定值变化率的相应等级来设置最后结果成员函数实例图；
图7是一表明在按照本发明的模糊推理中使用的重心计算的图；
图8是一表明在按照本发明的模糊推理中设定的控制标准的表；
图9是一表明在按照本发明的控制(CPU)操作的流程图；
图10是一表明应用本发明的控制方法的一种控制和一个逆变电阻焊机的电路图。
参照图1，这里示出应用本发明的控制方法的一种控制和一电阻焊机的电路。图2示出了图1中的各个部分的信号波形。图1中的电阻焊机采用了单相交流电阻焊机的形式。
电阻焊机的输入端10和12接收一具有工业频率的交流电压E(图2(A))。在焊接作业期间，该电压通过一对可控硅14和16施加到焊接变压器18的初级线圈上。在焊接变压器18的二次线圈上感应的二次电压通过二次线路和一对焊接电极20和22作用在工件24和26两端上。结果，焊接电流I(图2(B))流过二次线路。
在二次线路中配有环形线圈30，用来检测焊接电流I。环形线圈30产生一具有焊接电流I微分波形的信号di。将该环形线圈信号di输送到一由积分器组成的波形恢复线路32上。该波形恢复线路32输出一具有焊接电流I波形或瞬时值的焊接电流信号qi(图2(B))。一模拟-数字(A/D)变换器34把焊接电流信号qi转换成输入到中央处理单元(CPU)100的相应数字信号[Dqi]。
CPU100通过触发线路38来控制可控硅14和26的触发角，以便使测量的焊接电流qi与来自设定装置36的焊接电流的设定值IS相匹配。
为了实现对触发角的控制，电压过零检测器41和接通/断开检测器40分别将定时信号Tc和Tz。(图2(D))输送到CPU100上。电压过零检测器41检测电源电压的过零，这样产生一极性翻转脉冲形式的触发控制定时信号Tc。接通/断开检测器40根据可控硅两端的电压随焊接电流的开始而下降，并随焊接电流的停止而提高，来检测每半周的焊接电流的开始和结束。接通/断开检测器40产生一用于脉冲调制/保持的定时信号TSH(图2(G))和一用于重新调整积分器的定时信号TR(图2(H))。
环形线圈30、波形恢复线路32、A/D变换器34、设定装置36、CPU100、接通/断开检测器40、触发线路38，电压过零检测器41及可控硅14、16的相结合提供使通过工件24和26的焊接电流保持恒定的反馈控制。
在焊接作业期间，该电阻焊接控制装置执行恒流控制，同时测量焊接电流I的有效值和焊接电极20和22两端的电阻变化ΔR。CPU100根据由环形线圈30通过波形恢复线路32和A/D变换器34所提供的焊接电流信号[qi]计算焊接电流的有效值I。
设置电流积分器42、电压积分器44、脉冲调制和保持线路46和48、A/D变换器50和52及CPU100为的是测量每一个周期或每半个周期的焊接电极20和22两端的电阻变化ΔR。
电流积分器42接收来自波形恢复线路32的焊接电流信号qi。为了响应来自接通/断开检测器40的定时信号TR，电流积分器42在相对每个周期的正极性时积分焊接电路信号qi，这样，产生一电流积分信号si(图2(E))。为了响应来自接通/断开检测器40的定时信号TSH，脉冲调制和保持线路46在每个正周期中正焊接电流I变为0时刻取样并保持电流积分信号si的值[Sin](n＝1，2……)(见图2(E))。A/D变换器50将电流S/H值[Sin]转换成一相应的数字信号[DSin]，并将它输送到CPU100。
焊接电极20和22通过导线43和45连接到电压积分器44上。这样，在焊接作业期间，焊接电极20和22两端的电压V(图2(C))被输入到电压积分器44上。电压积分器44，响应来自接通/断开检测器40的定时信号TR，积分正焊接电流I流动期间的每一时间间隔的电压V，这样产生一电压积分信号SV(图2(F))。
响应来自接通/断开检测器40的定时信号TSH，脉冲调制和保持线路48在正焊接电流I于每个正周期变0的停止时刻取样并保持电压积分信号SV的值[SVn](n＝1，2……见图2(F))。该A/D变换器52将电压积分值[SVn]变换成一相应的数字信号[DSVn]，并将它输送到CPU100。由于在电阻焊接机的电感中的感应电压，焊接电极两端的电压V在焊接电流每半周的后半部将改变它的正极性。然而，感应电压差不多相等地出现在两种极性中。因此，积分该电压V消除了感应电压成分，以至电压积分值[SVn]代表了焊接电极两端的净电压的正确积分值。
根据储存在存储器54中的程序，CPU100通过将电压S/H值[SVn]除以电流S/H值[Sin]来计算每个周期的焊接电极两端的电阻Rn。然后，CPU100计算该周期电阻和前周期电阻之间的电阻差ΔR(＝Rn-Rn-1)。一般，当飞溅已发生时，焊接电极两端的电阻突然下降，以致可检测到相对大的电阻差ΔR。在该实施例中，每个周期的最大差值ΔR被认为是本焊接作业的电阻的变化。
CPU100计算涉及焊接电极20和22的焊接操作数N。每当一次焊接操作结束时，数N被增加1至N＝N＋1。
在这种方法中，对于每次焊接操作，该实施例检测电阻变化ΔR，测量焊接电流的有效值I并计算焊接操作数N。之后，该实施例在这三个因数ΔR，I和N的基础上执行模糊推理，以校正或确定下一次焊接操作的焊接电流的最佳设定值。
现将叙述该实施例的模糊推理。该实施例应用一种典型的被称为最大-最小方法的模糊推理。
为此，焊接电流I按照它的等级，如“小”、“中”和“大”被分成三组。正如图3所示，根据各个等级的焊接电流设置多个前项成员函数IL、IM和IH。
焊接电极20和22两端的电阻变化ΔR也按照它的等级如“低”、“中”、“高”被分成三组。如图4所示根据各个等级的电阻变化设置多个前项成员函数ΔRL、ΔRM和ΔRH。这些成员函数可以相应于工件24、26的厚度和材料而变化。
涉及焊接电极20和22的焊接操作数N也按照它的等级如“小”、“中”和“大”被分成三组。如图5所示根据各个等级的焊接操作数设置多个成员函数NL、NM和NH。以上是前项成员函数的设定情况。
焊接电流Is的设定值的变化(校正)率也按照它的等级如“上升”、“保持”和“下降”被分成三组。如图6所示根据各个等级的焊接电流设定值的变化变设置多个成员函数D、S和U。这些成员函数D、S和U是最后结果成员函数。
图8示出了在本实施例的模糊推理中所用的控制标准组。该控制标准组提供了前项和最后结果成员函数之间的关系。在图8中，有三个(前项的)输入变量ΔR、I和N。每个输入变量都被变换成三个模糊组或等级(相对于ΔR的ΔRL、ΔRM和ΔRH)。因此，总计有27个控制标准W1-W27，并且每个控制标准都具有一最后结果成员函数U(上升)、S(保持)或D(下降)的模糊值。例如，第一控制标准值W1表明如果焊接电极两端的电阻变化ΔR是小的(ΔRL)，焊接电流I是低的(IL)，并且焊接操作数N是小的(NL)，那么就提高焊接电流设定值Is(U)。第25控制标准W25表明，如果焊接电极两端的电阻变化ΔR是小的(ΔRL)，焊接电流I是高的(IH)，而焊接操作数N是大的(NH)，那么就保持焊接电流设定值Is(S)。
设定装置36将控制标准组与设定的前项和最后结果成员函数一起输入到CPU100中，并储存在存储器54中。
图9是一个表明实施例的CPU100执行过程的流程图。
如步骤S1所示，在焊接作业期间，CPU100执行恒流控制，并同时测量焊接电流I(有效值)和焊接电极两端的电阻变化ΔR的代表值(最大值)，然后它将焊接操作数N增加1。
在该焊接作业之后，CPU100测量的ΔR、I和N变换成与各个前项成员函数匹配或相容的等级(见步骤S2)。例如在I＝7KA、ΔR＝12μΩ而N＝600的情况下，按照图3，成员函数IL、IM和IH的相容等级分别是03、0.5和0。按照图4，12μΩ的ΔR被变换成“0”作为ΔRL的相容等级，0.7作为ΔRM的相容等级而0.25作为ΔRH的相容等级。按照图5,600的N分别给出“0.8”、“0.1”和“0”作为NL、NM和NH的相容等级。
然后，在步骤S3中，CPU由它的前项成员函数的相容等级(对于ΔR的相应等级为0，0.7，0.25；对于I为0.3，0.5，0；对于N为0.8，0.1，0)来计算或构成每一个控制标准的最后成员函数的相容等级(图6)。这是按照最大-最小方法，通过选择在每一个控制标准(图8)中的前项成员函数的最小相容等级进行的。
例如，第一个控制标准W1处理如下：
U＝IL*ΔRL*NL
 ＝0.3*0*0.8
 ＝0
这样，标准W1的最后结果U的相容等级是0。
第5个控制标准W5按下述处理：
S＝IM *ΔRM *NL
 ＝0.5*0.7*0.8
 ＝0.5
这样，标准W5的最后结果S的相容等级是0.5。
类似地处理剩下的控制标准W2-W4和W0-W27，这样就得出了它们的最后结果成员函数的相容等级。
之后，CPU100构成了最后结果成员函数U、S和D的相容等级(见步骤4)。这是按照最大-最小方法，通过选择最后结果成员函数U、S和D的最大相容等级VMax、SMax和DMax进行的。
这样得出；
UMax＝0
SMax＝0.5
DMax＝0.3
接着，CPU100根据由U、S和D组成的相容等级按照重心清楚方法来计算作为操作值的焊接电流的设定值的变化百分比(见步骤5)。用它们的由0＝(UMax)、0.5(＝SMax)和0.3(DMax)组成的相容等级截去最后结果成员函数U、S和D来确定图7中的阴影区域。相对于水平轴计算该区的重心，大致给出一焊接电流设定值的增量百分比。
之后，CPU100用计算的变化百分比校正焊接电流Is的设定值，并将它输进到存储器54中(见步骤6)。存储的焊接电流数据被用作下一次焊接操作的焊接电流设定值。
在这种方法中，该实施例监控作为变量的焊接电流I、焊接电极两端的电阻变化ΔR，和焊接操作数N，并在监控值的基础上按照模糊推理校正下一个焊接操作的焊接电流设定值。由于具有前项或最后结果成员函数特性或控制标准，焊接电流的设定值是精确的，并适合于被自动地校正或最佳化。本实施例不需要有技术操作者仍能确保满意的焊接质量而无飞溅或分开现象。
在监控值I、ΔR和N中间，已发现ΔR是在确定焊接电流设定值中的最重要的变量。因此，仅根据测量的电阻变化ΔR、或根据ΔR和测量的I或根据ΔR和N，使用模糊推理就可以确定焊接电流设定值的变化百分比。其它的变量例如施加到焊接电极上的压力和电极的位移均可以被增加作为变量，同时设定它们的成员函数。上述的最大-最小方法和重心方法仅为说明而已，它们可以由任何其它的模糊推理和/或清楚推理(例如代数积-和方法、面积方法或均值高度方法)来代替。
本实施例应用到一单相交流电阻焊机电阻焊接控制上。本发明也可以应用到图10所示的逆变阻焊机的阻焊控制上。在图1和10中，相应部分被标注上同样的数字或符号。图10的控制装置可以在任何初级或二次线路中测量焊接电流。CPU100使用来自二次电流检测器60的输出信号Si和来自工件电压检测器62的输出信号Sv计算焊接电极两端的电阻变化。CPU100还计算焊接操作数。

Claims (4)

1.一种使用模糊推理控制电阻焊接的方法，包括下述步骤：
相对于焊接操作情况下的焊接电极两端电阻变化的相应等级，设置多个前项成员函数；
相对于焊接电流设定值变化率的相应等级，设置多个与所述的前项成员函数相对应的最后结果成员函数；和
检测焊接操作期间的焊接电极两端的电阻变化，和
在检测电阻变化的基础上按照前项成员函数和最后结果成员函数来校正下一个焊接操作的焊接电流设定值。
2.一种使用模糊推理控制电阻焊接的方法，包括下述步骤：
相对于焊接操作情况下的焊接电极两端电阻变化的相应等级，设置多个第一前项成员函数；
相对于焊接操作情况下的焊接电流变化率的相应等级，设置多个第二前项成员函数；
相对于焊接电流设定值变化率的相应等级，设置多个与第一和第二前项成员函数相对应的最后结果成员函数；和
检测焊接操作期间的焊接电极两端电阻的变化，
测量焊接操作期间的焊接电流，以及
在检测电阻变化和测量焊接电流的基础上，按照第一和第二前项成员函数和最后结果成员函数校正下一次焊接操作的焊接电流设定值。
3.一种使用模糊推理控制电阻焊接的方法，包括下述步骤：
相对于焊接电极两端的电阻变化的相应等级，设置多个第一前项成员函数；
相对于涉及焊接电极的焊接操作数的相应等级，设置多个第二前项成员函数；
相对于焊接电流设定值变化率的相应等级，设置多个与所述第一和第二前项成员函数相对应最后结果成员函数；和
检测焊接操作期间的焊接电极两端电阻的变化，
计算涉及焊接电极的焊接操作数，以及
在检测电阻变化和计算焊接操作数的基础上，按照所述的第一和第二前项成员函数和所述的最后结果成员函数来校正下一次焊接操作的焊接电流设定值。
4.一种使用模糊推理控制电阻焊接的方法，包括下述步骤：
相对于焊接操作情况下的焊接电极两端的电阻变化的相应等级，设置多个第一前项成员函数；
相对于焊接操作情况下的焊接电流的相应等级，设置多个第二前项成员函数；
相对于涉及焊接电极的焊接操作数的相应等级，设置多个第三前项成员函数；
相对于焊接电流设定值变化率的相应等级，设置多个与所述的第一、第二和第三前项成员函数相对应的最后结果成员函数；和
检测焊接操作期间焊接电极两端电阻的变化，
测量焊接操作期间的焊接电流设定值，
计算涉及所述焊接电极的焊接操作数，和
在检测电阻变化，测量焊接电流和计算焊接操作数的基础上按照所述的第一、第二和第三前项成员函数和所述的最后结果成员函数来校正下一个焊接操作的焊接电流设定值。
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